Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng anten rfid

Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát

NguyÔn ThÕ AnhNguyÔn ThÕ Anh

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ

Vµ m« pháng anten rfid

Vµ m« pháng anten rfid

LuËn v¨n th¹c sÜ

NguyÔn ThÕ Anh NguyÔn ThÕ Anh

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ

Vµ m« pháng anten rfid

Vµ m« pháng anten rfid

Ngµnh: Kü thuËt §iÖn Tö – ViÔn Th«ng Chuyªn ngµnh: Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vµ th«ng tin liªn l¹c M· sè: 2.07.00

LuËn v¨n th¹c sÜ

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc:

Më §ÇU Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tự động sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ không dây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt Việc nghiên cứu công nghệ này là bước đầu để chúng ta tìm hiểu và tiến đến làm chủ công nghệ, từ đó chúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế tại Việt Nam Nội dung của khoá luận tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống RFID thụ động

Trên cơ sở đó luận văn được chia thành bốn chương:

Chương 1: Hệ thống RFID và các nguyên lý cơ bản

Chương 2: Thiết kế anten cho thẻ RFID

Chương 3: Mô phỏng và thiết kế anten trên máy tính

Chương 4: Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp

CH¦¥NG 1

HÖ THèNG RFID Vµ C¸C NGUY£N Lý C¥ B¶n

1.1 Hệ thống RFID

1.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID):

Trong vài năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động ngày càng phát triển

và trở nên khá phổ biến trong các ngành như công nghiệp dịch vụ, mua sắm, phân phối, quản lý và được sử dụng tại rất nhiều các cơ quan, nhà máy, bệnh viện và các

tổ chức khác Chúng cung cấp cho chúng ta các thông tin về con người, hàng hoá, động vật trong việc di chuyển Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID

Mã vạch

RFID

Thẻ thông minh

Quang

học

Giọn

g nói

Hệ thống nhận dạng

tự động

Sinh học

Vân tay

Hình 1-1: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động

a) Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode):

Hệ thống nhận dạng tự động bằng mã vạch đã đạt được nhiều thành công và được ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được tạo nên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau Chúng được xắp xếp theo một quy ước định trước, các phần của mã vạch đại diện cho dữ liệu cần mã hóa Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thông qua sự phản xạ khác nhau của dòng laser đối với các vạch đen và khoảng trống màu trắng

b) Hệ thống nhận dạng sinh học:

Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng các sinh vật sống trong đó nhận dạng con người là chủ yếu Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận dạng sinh học có độ chính xác khá cao qua việc so sánh các đặc điểm riêng của mỗi người Trong thực tế, có rất nhiều các hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói và nhận dạng võng mạc

c) Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh(smart card):

Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử, có loại có thêm một chip

để xử lý thông tin Chúng thường được thiết kế trong một thẻ nhựa có kích thước như thẻ điện thoại Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện Thẻ được cung cấp năng lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó Dữ liệu truyền giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều

Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặc quản lý Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn Trong thực tế, chúng ta còn có thể truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệ không dây này

Có thể thay đổi

Có thể thay đổi Có thể thay đổi

An toàn d ữ

li ệu

Ở mức tối thiểu

Ở mức cao Từ mức tối thiểu tới

Lến tới 8MB Lên tới 64kB Lến tới 8MB

Chi phí Thấp Cao (hơn

1$/thẻ)

Trung bình (ít hơn

25 cent/SP)

Rất cao (10$ - 100$/thẻ)

Tiêu chu ẩn Ổn định và

đã được quy ước

Độc quyền;

không có tiêu chuẩn

Phát triển theo một quy chuẩn

Độc quyền và phát triển theo một quy chuẩn

Tiếp xúc trực tiếp

Lên tới 1524cm (Không tiếp xúc)

Lên tới 100m và hơn nữa

Nhi ễu tiềm

ẩn

Bụi hoặc vật cản giữa thẻ

và đầu đọc

Tiếp xúc mòn, bẩn

Môi trường, địa hình ảnh hưởng tới việc truyền sóng

RF

Hầu như không

do tín hiệu quảng

bá phát ra khá mạnh

Hình 1-2: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng hoàn chỉnh

1.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID

Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng bằng thẻ thông minh trên Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể mang theo được, đó chính là thẻ RFID Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc

và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện

sóng radio, và nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát triển

Hình trên cho thấy các thành phần một hệ thống RFID hoàn chỉnh [3], được ứng dụng tại các cửa hàng bán lẻ lớn Phía dưới góc bên trái của hình là một tập hợp các thẻ RFID minh hoạ cơ chế nhận dạng của chúng Reader được đặt bên trong và tại các dây chuyền đầu ra Các reader có thể đọc thẻ hàng trăm tới hàng ngàn lần một phút Reader cũng phải được cấu hình và quản lý sao cho nó có thể phủ sóng hết các vùng mù, nơi mà khó nhận biết được thẻ RFID middleware là phần mềm xử

lý tất cả các quá trình trên Edge applications là các ứng dụng bất kỳ của doanh nghiệp Dịch vụ thông tin RFID trình bày cơ chế lưu giữ các dữ kiện RFID và dữ liệu liên quan

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID

Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một reader và một thẻ (hay còn gọi là label hoặc chip) Reader sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo thông tin vừa nhận được đó Có thể chỉ đơn giản là hiển thị một con số nào đó trên một thiết bị cầm tay, hoặc chuyển thông tin đó tới một hệ thống POS , một cơ sở dữ liệu quản lý kho, hoặc chuyển tiếp tới một hệ thống thanh toán nào đó

1.1.3.1 Tag/ Thẻ

Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát (transponder) [13], được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến vừa có khả năng tự động phát đi trả lời Kiểu hoạt động đơn giản nhất, đó là thẻ sẽ lắng nghe một tín hiệu vô tuyến, và sẽ gửi tín hiệu để trả lời (LBT – Listen before talk) Các hệ thống phức tạp hơn có thể phát đi một ký tự đơn hay một con số, hoặc

có thể gửi một dãy ký tự hoặc dãy số Và đối với những hệ thống tân tiến hơn, còn

có thể cho phép tính toán, xác nhận và mã hoá đường truyền để bảo mật thông tin

Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm: Mạch giải mã, bộ nhớ, nguồn cung cấp, điều khiển giao tiếp và anten

Thẻ cũng có ba loại: đó là tích cực, thụ động và bán thụ động

Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do

đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của reader Thẻ là một mạch cộng hưởng

có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của reader Để nhận năng lượng từ reader, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường gần Tức là thẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với reader để có thể nhận được năng lượng từ reader Năng lượng trường gần sẽ đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho thẻ sao cho ít nhất nó cũng có thể gửi được một đáp ứng cho reader

Ngược với thẻ thụ động là thẻ tích cực Thẻ tích cực bản thân đã có nguồn cung cấp bên trong, pin Vì có năng lượng để cung cấp cho chính mạch điện tử của

nó, nên nó có thể phát và thu độc lập mà không cần nguồn cung cấp từ trường gần của anten reader Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúng cũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần Nó có thể tương tác với reader ở khoảng cách xa hơn

Một trong những lý do khiến thẻ tích cực ít được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới đó là do còn chưa có một tiêu chuẩn toàn cầu hoàn thiện dành cho nó Thẻ bán thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vào trường gần

Một thẻ bao gồm hai thành phần chính bên trong: ASIC hay microchip và anten Microchip là chip vi xử lý nhỏ lưu giữ một dãy số nhận dạng duy nhất cho chip đó Microchip còn có khả năng xử lý các tình huống khi thẻ giao tiếp với reader Anten sẽ cấp năng lượng thu được cho microchip và microchip có thể trao đổi dữ liệu với reader

Thẻ cũng được chia ra thành các lớp và các thế hệ: Lớp 0, Lớp 1 và Thế hệ 1 (Gen 1), Thế hệ 2 (Gen 2) (Nhằm phân biệt so với thẻ của các công nghệ nhận dạng khác, và cũng như phân loại thẻ theo các tuỳ chọn riêng của chúng)

• Thẻ lớp 0: Là loại thẻ chỉ-đọc, tức là dữ liệu trên thẻ được ghi bởi nhà sản xuất là không thể thay đổi được

• Thẻ lớp 1: Thẻ có thể ghi/đọc, có thể ghi bất kỳ thông tin gì lên chúng theo mục đích của từng ứng dụng cụ thể và có thể đọc dữ liệu ra vô hạn định Viết một lần, đọc nhiều lần (WORM)

Về nguyên lý, kích thước thẻ càng lớn thì thẻ càng ít có đối tượng nhận dạng có kích thước phù hợp để gắn vào Nhưng kích thước thẻ càng nhỏ thì khoảng đọc lại càng ngắn

1.1.3.2 Đầu đọc (Reader)

Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là reader Gọi là “reader” thực ra cũng không đúng về mặt thuật ngữ, reader thực sự cũng là một bộ thu phát (transceiver) Nhưng, bởi vì vai trò chủ yếu của reader là truy vấn thẻ và nhận thông tin từ thẻ, nên chức năng chủ yếu vẫn là “đọc thẻ”; do đó, được gọi là “reader” Reader có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời Còn có các thành phần khác trong một reader như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển giao tiếp Anten reader có kích thước rất đa dạng, từ vài cm cho tới hàng chục, hàng trăm cm Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

1.1.3.3 Middleware

Phần mềm Middleware sẽ quản lý reader và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới

hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung Middleware được bố trí ở giữa reader và cơ sở dữ liệu Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp reader Khi các hệ thống RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiến cho cả reader và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở rộng Cơ sở dữ liệu có thể là SQL, My SQL, Oracle, Postgres

1.1.4 Dữ liệu sử dụng trong RFID

1.1.4.1 Dữ liệu chứa trong thẻ

Phụ thuộc vào loại thẻ cụ thể, dung lượng dữ liệu chứa trong thẻ sẽ khác nhau từ vài byte cho tới vài MB tuỳ thuộc vào ứng dụng Dữ liệu trong thẻ có thể có rất nhiều các định dạng khác nhau, tất nhiên là phải tương thích với cả reader và thẻ Hiện tồn tại khá nhiều các định dạng, song các tiêu chuẩn đang xây dựng sẽ dần dần hợp nhất

Mã UPC (bar code) đã được coi là phương tiện thanh toán tại các POS trong các siêu thị bán lẻ kể từ những năm 1970 Mã UPC chứa các thông tin về hệ thống bar code, nhà sản xuất, loại sản phẩm, và số kiểm tra Vì chỉ có 5 con số được sử dụng để mã hoá cho cả nhà sản xuất và sản phẩm, nên tổng số nhà sản xuất sẽ là 100,000, mỗi nhà sản xuất sẽ có 100,000 sản phẩm Tổng cộng số sản phẩm mà mã UPC có thể mã hoá là 10,000,000,000 Rõ ràng thấy rằng mã UPC sẽ sớm bị cạn kiệt tài nguyên mã hoá cho sản phẩm

1.1.4.2 Mã sản phẩm điện tử

Mã sản phẩm điện tử mới (EPC) sử dụng định dạng Nhận dạng chung 96) của tổ chức EPC toàn cầu GID-96 có 96 bit (12 byte) dữ liệu Theo chuẩn GID-

(GID-96, mỗi EPC sẽ bao gồm 3 trường: Số quản lý chung 28 bit sẽ dành cho nhận dạng

tổ chức hoặc công ty; Lớp đối tượng 24 bit chia sản phẩm thành các nhóm; Số sê-ri

36 bit là duy nhất đối với từng đối tượng và dành cho nhận dạng sản phẩm Trường thứ tư bao gồm một header 8 bit được sử dụng để đảm bảo sự duy nhất của mã EPC

Header Số quản lý chung Lớp đối tượng Số Se-ri

Tổng số 268,435,455 16,777,215 68,719,476,735

Bảng 1.2: Các trường của mã EPC

Cho phép tổng cộng 30,939,155,754,879,204,468,201,375 đối tượng sản phẩm được mã hoá bằng hệ thống mã hoá EPC

Hình 1-3: Mã EPC dùng cho RFID

- Header: Trường này sẽ cho reader biết tiếp theo sau sẽ là loại dữ liệu nào

- EPC Manager: Trường quản lý EPC này sẽ nhận dạng các nhà sản xuất

- Lớp đối tượng: Cũng tương tự như đơn vị giữ kho (SKU)

- Số sê-ri: Đây là dãy số quan trọng nhất, nó biểu thị sản phẩm, các đặc tính của sản phẩm…

Mỗi công ty hoặc nhà sản xuất sẽ được gán một số quản lý chung từ tổ chức EPC Mỗi nhà sản xuất sau đó sẽ được gán một số Lớp Đối tượng cho mỗi dây chuyền sản xuất Mỗi đối tượng sản phẩm sẽ được nhận dạng bởi Số Sê-ri Các nhà sản xuất có thể gán số sản phẩm và số sê-ri bất kỳ cho sản phẩm của họ Cũng chính

vì thế mà các nhà sản xuất có khả năng tự cung cấp cho mình những phương thức nhận dạng duy nhất cho mỗi sản phẩm của họ

1.1.5 Phân loại hệ thống RFID

Qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, rất nhiều mođun của hệ thống RFID đã được tích hợp lại Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo tần số hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ và reader…Nhưng từ quan điểm thiết kế anten, Hệ thống RFID có thể được phân loại thành hai phạm trù [23]: RFID trường gần và RFID trường xa liên quan đến phương pháp phát công suất từ reader tới thẻ Còn với quan điểm về phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại thành hệ thống RFID thụ động, tích cực

và bán tích cực Trong phạm vi của giáo trình này mặc định chỉ đề cập tới hệ thống RFID thụ động nên sẽ không dựa trên cách phân loại này

RFID trường gần và trường xa: Có hai phương pháp để truyền công suất từ

reader tới thẻ, đó là ghép dung/cảm ứng và thu/phát sóng điện từ (EM) Cả hai phương pháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten

RF - Trường khu gần và trường khu xa Cả hai phương pháp này đều cung cấp đủ năng lượng cho thẻ đảm bảo hoạt động trong khoảng từ 10µW tới 1mW, phụ thuộc vào từng loại thẻ

1.1.5.1 RFID trường gần

Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô tuyến, trong đó cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điện trường trên cuộn dây anten của thẻ Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π)

Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từ reader tới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua tương tác với từ trường, hoặc ghép dung ứng qua tương tác với điện trường Hệ thống RFID trường gần là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống RFID thụ động Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về khoảng đọc Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một

khoảng cách giữa reader và thẻ Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần như vậy thường ngắn hơn 1.5m Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của

từ trường Cùng với tầm nhìn của anten reader, cường độ trường của thành phần từ trường trực giao với mặt phẳng anten reader thì rất mạnh, trái lại thành phần cường

độ trường song song với mặt phẳng anten reader thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng không Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten reader, reader sẽ không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ

1.1.5.2 RFID trường xa

Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ reader tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM Reader sẽ phát ra năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ thẻ và reader sẽ nhận biết được Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ Bằng cách thay đổi trở kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ

Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ yếu là băng UHF như 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba 2.4GHz hoặc 5.8GHz Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu reader đối với tín hiệu phản

xạ từ thẻ Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW) Reader đang ngày càng được cải tiến độ nhạy sao cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được Khoảng đọc của hệ thống có thể dao động từ 3 – 5m Khi lớn nhất có thể lên tới 10m hoặc hơn

1.1.6 Tần số, tiêu chuẩn và giao thức được sử dụng trong hệ thống RFID: 1.1.6.1 Tần số và quy định

Hoạt động của một hệ thống RFID phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động

mà hệ thống sử dụng Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng lớn tới khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu, hoạt động, kích thước, loại anten, và tính hấp thụ bề mặt Do phải đảm bảo hệ thống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới hạn; Chỉ được phép hoạt động với dải tần ISM Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dải tần dưới 135kHz (ở Bắc và Nam Mỹ) và 400kHz (ở Nhật) cũng được dành cho ứng dụng RFID

Hình 1.4: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID

Hệ thống RFID LF thường sử dụng thẻ thụ động, thích hợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạng chủ yếu là kim loại, chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF) Thẻ LF tích cực cũng có mặt trong một số các ứng dụng RFID khác

Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động và hoạt động khá tốt trong các môi trường có chứa kim loại, chất lỏng

Hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ

và 868MHz ở Châu Âu Còn hệ thống tích cực thì hoạt động tại tần số 315MHz hoặc 433MHz Hệ thống RFID UHF có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới

Hệ thống RFID MWF hoạt động tại tần số 2.45GHz được sử dụng phổ biến nhất và được chấp nhận rộng rãi Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nên anten của thẻ thụ động hoạt động trong dải tần MWF có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống RFID khác hoạt động ở dải tần khác thấp hơn

Bảng 1.3: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan

Dài, tốc độ cao,

bị ảnh hưởng bởi cả nước và kim loại

Dài, tốc độ cao, bị ảnh hưởng bởi cả nước và kim loại

Bảng 1.4: Hệ thống RFID UHF tại một số các quốc gia khác nhau

Quốc gia Trạng thái Tần số Công suất Công nghệ Ghi chú Trung Quốc IP 917 - 922 2W (ERP)

910 - 914

4W (ERP) 4W (ERP)

LBT FHSS

7/ 2004 7/ 2004

1.1.6.2 Các tiêu chuẩn

Hiện còn tồn tại rất nhiều các tiêu chuẩn khác nhau cho công nghệ RFID trên thế giới, các nỗ lực đưa về một tiêu chuẩn duy nhất vẫn tiếp tục được tiến hành Các tiêu chuẩn đang tồn tại được đưa ra nhằm hỗ trợ bốn khía cạnh chủ yếu sau đây của RFID: tiêu chuẩn về giao diện (truyền dữ liệu từ thẻ tới reader), nội dung và mã hoá

dữ liệu, sự tương thích giữa các ứng dụng và hệ thống RFID Một số tổ chức về tiêu chuẩn đã tham gia vào quá trình phát triển và định nghĩa các công nghệ RFID, bao gồm ISO, EPCglobal, ETSI và FCC

1.1.6.3 Giao thức

Hệ thống RFID hoạt động khi anten đầu đọc phát đi tín hiệu vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được thẻ nhận, và trả lời bằng một tín hiệu vô tuyến đáp ứng Tín hiệu sau đó sẽ được đọc bởi bộ thu của reader

Hình 1.5 Giao tiếp giữa thẻ và reader

Giao thức thông tin dữ liệu nhanh

Thẻ chỉ đọc, lập trình sẵn

Ghi 1, đọc nhiều lần

Có khả năng đọc, ghi, và khoá dữ liệu WORM

kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn lên đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten được gọi là anten mạch in),…

1.2.2 Chất liệu cho anten RFID [15]

Một trong những yếu tố vô cùng quan trọng trong thiết kế anten RFID nói riêng và anten mạch dải nói chung đó là vấn đề chọn chất liệu làm anten Chất liệu được chọn làm anten quyết định rất lớn đến hiệu suất hoạt động, kích thước và giá thành của anten Với mỗi chất liệu anten sẽ có một hằng số điện môi (các đế có hằng số điện môi thấp là chân không, không khí, Heli Các đế có hằng số điện môi trung bình như là sứ, nước cất, giấy, mica, polyethilen, kính…Muốn các đế có hằng

số điện môi cao thì thông thường sử dụng oxit kim loại), tổn hao điện môi, độ từ thẩm, trở kháng,…và chi phí khác nhau Tất cả những tham số này đều là các tác nhân quan trọng trong quá trình thiết kế ra được một anten RFID tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể Dưới đây tôi xin được trình bày một số các chất liệu đang được sử dụng làm anten RFID tân tiến và phổ biến nhất

FR-4

FR-4 (fiberglass-reinforced, flame-retardant epoxy), tạm dịch là epoxi được làm chậm lại quá trình cháy và tăng cường sợi thủy tinh Hằng số điện môi và tổn hao điện môi của vật liệu này cho kết quả tốt ở các tần số thấp hơn so với rất nhiều ứng dụng đang hoạt động thực tế Tuy nhiên, RFID hoạt động ở cả tần số gần 1GHz, mà tại đó tổn hao điện môi của FR-4 về căn bản lại tăng Hơn nữa, tổn hao điện môi là một thông số quan trọng, do đế (substrate) được sử dụng làm thành phần chính bên trong của cấu trúc anten, Tổn hao điện môi càng thấp thì chất liệu điện môi có hiệu suất càng cao

Tổn hao dẫn cũng trở thành một vấn đề với các ứng dụng RFID 915MHz, 2.45GHz và 5.8GHz Nơi mà độ sâu bề mặt (skin depth) trở nên nông hơn khi tần

số tăng lên FR-4 sử dụng đồng thô để duy trì sự liên kết điện môi-đồng mạnh hơn

Sử dụng đồng thô sẽ có tổn hao cao hơn do hiệu ứng bề mặt tỷ lệ với sóng EM

nhập vào epoxy và tạo ra điện trở nhiệt cao hơn (nhiệt sinh ra khi bức xạ) Kẽm là một kim loại có tổn hao rất cao, và lại làm tăng đáng kể tổn hao hơn nữa khi kết hợp với đồng thô và độ sâu bề mặt sẽ nông hơn nữa Đối với hầu hết các chất liệu, tổn hao điện môi sẽ tỷ lệ thuận với tần số Tuy nhiên, nó tăng nhanh hơn đối với FR-4, điều này cũng có nghĩa là tần số thay đổi phụ thuộc vào hằng số điện môi Epoxy bao gồm một số các phân nhóm có cực tính (polar sub-groups) bên trong phân tử của nó Ở các tần số thấp, các phân nhóm này sẽ tự động sắp xếp theo điện trường tác động Nhưng tại các tần số cao hơn, khả năng duy trì liên kết của chúng bị phá

vỡ bởi sự va chạm bên trong và giữa các phân tử epoxy Một số các thiết kế được đưa ra để bù lại điều này bằng cách phát công suất cao hơn Nhưng do các giới hạn

về mức độ bức xạ tín hiệu và sự thay đổi bên trong các chất liệu khiến cho bản thân phương pháp này cũng bị giới hạn Khi sử dụng công suất cao hơn cũng có nghĩa là nhiều năng lượng hơn được chuyển đổi thành nhiệt do sự ma sát phân tử (và nhiệt

độ sẽ cao hơn) Nhiệt độ cao hơn, lại ảnh hưởng tới epoxy, làm tăng cả hằng số điện môi lẫn tổn hao điện môi, làm cho anten hoạt động kém hiệu quả đi

PTFE chi phí thấp hay PTFE/ vật liệu gốm

Arlon, công ty chế tạo ra vật liệu này gọi đó là dòng sản phẩm AD, hướng mục tiêu tới các ứng dụng RFID Tên của sản phẩm chính là hằng số điện môi Ví

dụ với AD250 thì sẽ có hằng số điện môi là 2.50 Tương tự, AD350 là 3.00 Dòng

sản phẩm này có tổn hao thấp với một mức giá chấp nhận được cho một tấm PTFE Sợi thủy tinh được dệt trong cấu trúc của những sản phẩm này Không có gốm, phụ thuộc hoàn toàn vào thủy tinh với hằng số điện môi cao (~ 6) để bù cho hằng số điện môi của PTFE (2.08) cho phép nó đạt được hằng số điện môi mong muốn Sản phẩm được phủ lên trên một lớp sợi thủy tinh đan sẵn để đạt được cả hai hằng số và tổn hao điện môi cao hơn Khi phủ gốm lên sẽ làm giảm đi tổn hao điện môi của toàn bộ mạch in và cho phép hằng số điện môi cao hơn đối với các thiết kế anten nhỏ hơn

Mạch in có hằng số điện môi cao

AD600 (Hằng số điện môi là 6.15) và AD1000 (10.2 hoặc cao hơn) cho phép sản phẩm có kích thước nhỏ hơn nhiều khi sử dụng gốm siêu nguyên chất có hằng

số điện môi cao hơn phân tán trong chất liệu PTFE Do kích thước của anten cũng những độ rộng của dải tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của hằng số điện môi, cho nên hằng số điện môi càng cao thì anten có kích thước càng nhỏ, rất thích hợp cho ứng dụng RFID AD600 và AD1000 đã khắc phục được độ dễ vỡ của gốm (như là alumi hoặc LTCC) bằng cách “treo” (suspension) gốm trên một đế PTFE tương đối mềm Điều này cho phép tận dụng được ưu điểm về tổn hao thấp mà không cần phải hy sinh độ bền cơ học hay sự tiện lợi khi sản xuất

Hydrocarbon gốm

Ở tần số trên 500MHz, sẽ ít cơ hội sử dụng mạch in chịu nhiệt hơn, do các vật liệu phi cực (non-polar) trở nên đắt hơn và cũng không đáp ứng được các yêu cầu về một mạch in có tổn hao thấp Arlon 25N và 25FR là các hợp chất hydrocarbon phủ gốm được tăng cường sợi quang dệt với nhau, được thiết kế để sử dụng trong các bo mạch in đa lớp RFID và vi ba Các vật liệu này cho cùng một điểm hiệu suất với chi phí thấp hơn nhiều mạch in dựa trên PTFE hay mạch in chịu nhiệt bằng gốm tân tiến khác

Nói tóm lại, có rất nhiều các sự lựa chọn về chất liệu, giá thành, hiệu

1.3 Nguyên lý hoạt động [23]

Như ta đã biết, cơ chế ghép nhận năng lượng giữa reader và thẻ trong các hệ thống RFID trường-gần và trường-xa là khác nhau do đặc tính trường điện từ tại mỗi khu là khác nhau

1.3.1 Trường gần

Trường điện từ tại khu gần có tính chất thụ động và gần như tĩnh Điện trường sẽ bị thay thế bởi từ trường, và trường nào sẽ tồn tại được quyết định bởi loại anten được sử dụng: Điện trường sẽ tồn tại khi anten dipole được sử dụng, trái lại, với anten vòng nhỏ thì sẽ chỉ có từ trường tồn tại Sự ghép ứng giữa anten thẻ và reader có thể nhận được qua giao thoa với từ trường hoặc điện trường Trong các hệ thống RFID trường gần thì hệ thống ghép cảm ứng được dùng rộng rãi hơn cả so với hệ thống ghép dung ứng

1.3.1.1 Ghép cảm ứng

Trong một hệ thống RFID ghép cảm ứng, cuộn dây anten reader sẽ tạo ra một từ trường mạnh cảm ứng vào cuộn anten của thẻ Khi một phần năng lượng trường tới được hấp thụ vào anten cuộn của thẻ, sẽ tạo ra một điện áp Ui trên anten của thẻ Điện áp này được chỉnh lưu và làm nguồn nuôi cho microchip trong thẻ

Hình 1.6 Truyền công suất và thông tin giữa thẻ và reader trong hệ thống RFID

ghép cảm ứng

Một tụ CR được mắc song song với anten cuộn của reader, điện dung được chọn sao cho nó cùng với điện cảm anten cuộn hình thành nên một mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số phát đi của reader Trên anten của reader sẽ sinh ra các dòng rất lớn với mạch cộng hưởng song song,

có thể dùng để tạo ra từ trường cảm ứng cho hoạt động của thẻ

Hiệu suất truyền giữa anten reader và thẻ tỷ lệ với tần số hoạt động, số vòng dây, diện tích ghép anten, góc của cuộn dây, và khoảng cách giữa hai cuộn dây

1.3.1.2 Ghép dung ứng

Trong hệ thống RFID ghép dung ứng, anten sẽ tạo ra và tương tác với điện trường Trong các hệ thống này, chính phân bố của điện tích chứ không phải dòng điện sẽ quyết định độ lớn của trường và do đó độ lớn ghép ứng (coupling strength)

Do độ lớn ghép ứng phụ thuộc vào số lượng các điện tích được gia tốc, nên các hệ thống dựa trên ghép dung ứng sẽ ít được sử dụng hơn nhiều so với các hệ thống ghép cảm ứng

Dipole là một anten thích hợp đối với các hệ thống ghép dung ứng do điện trường sẽ tồn tại thay vì từ trường Không chỉ các hệ thống ghép cảm ứng mới cần các mạch cộng hưởng để có hệ số ghép lớn nhất mà các hệ thống ghép dung ứng cũng vậy Do bản thân anten có điện dung của chính nó, điện cảm được ghép vào song song với thẻ và giao tiếp với reader Ngoài ra, cũng như các hệ thống ghép cảm ứng, thẻ có thể giao tiếp với reader bằng cách thay đổi trở kháng của nó

1.3.1.3 Điều chế tải

Giao tiếp giữa thẻ và reader trong cả hai hệ thống RFID ghép cảm ứng và dung ứng đều được thực hiện nhờ thay đổi trở kháng tải của thẻ Khi thẻ nằm trong khoảng đọc của reader, nó sẽ nhận được năng lượng phát ra từ anten reader qua từ trường hoặc điện trường Kết quả phản hồi từ thẻ trên anten reader cho thấy sự thay đổi của điện và từ trường Sự thay đổi này sẽ được reader nhận biết Dữ liệu được truyền từ thẻ tới reader trong khoảng thời gian mà trở kháng tải hoặc dung kháng được bật và tắt theo dữ liệu Kiểu truyền dữ liệu này được gọi là điều chế tải

Thẻ thay đổi trở kháng của nó bằng cách bật hoặc tắt trở kháng tải hoặc dung kháng, từ đây đưa ra hai khái niệm điều chế tải điện kháng và điều chế tải dung kháng Khi điều chế tải điện kháng, trở kháng được tắt hoặc bật trong thời gian tồn tại chuỗi dữ liệu Tương tự đối với điều chế tải dung kháng Reader sẽ nhận biết được những sự thay đổi này như một kiểu điều chế kết hợp giữa biên độ và pha

1.3.2 Trường xa

Thẻ trong hệ thống RFID trường xa sẽ nhận sóng EM bức xạ từ anten của reader Anten thẻ sẽ nhận năng lượng và biến đổi thành một điện áp trên hai cổng của microchip Một diode sẽ chỉnh lưu điện áp này và đưa tới một tụ điện, tụ này sẽ nạp năng lượng đó nhằm cấp nguồn cho các mạch điện tử trong microchip Thẻ có thể nằm ở các vị trí ngoài trường khu gần của reader Do đó, trong các hệ thống RFID trường-xa giao tiếp giữa reader và thẻ thường được thực hiện nhờ sử dụng một kỹ thuật gọi là tán xạ lùi (backscattering) (Reader sẽ gửi đi một sóng điện từ tại một tần số nhất định Sóng này sẽ được thẻ thu nhận, và thẻ sau đó sẽ phát tín hiệu trở lại cho reader tại một tần số khác với các thông tin về microchip đã được mã hoá trong các sóng đó)

Sự thay đổi của trở kháng tải (của microchip) sẽ gây ra mất phối hợp trở kháng giữa anten thẻ và tải Sự mất phối hợp trở kháng sẽ làm biến đổi tín hiệu phản xạ từ thẻ Nói cách khác, biên độ của sóng phản xạ từ thẻ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tổng của anten thẻ Bằng cách thay đổi tải của anten thẻ theo thời gian, thẻ có thể phản xạ lại nhiều hoặc ít so với sóng tới như một kiểu mã hoá ID của thẻ

Hình 1.7 Cơ chế cấp nguồn và giao tiếp trong hệ thống RFID trường-xa

1.4 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống RFID

a) Ưu điểm:

● Khả năng xử lý đồng thời: RFID có khả năng xử lý đồng thời nhiều đối tượng cùng một lúc Trong khi các hệ thống nhận dạng tự động khác xử lý đơn hoặc xử lý theo chuỗi Điều này làm tăng đáng kể tốc độ kiểm tra và giảm lượng ách tắc hơn các hệ thống khác

• Các đối tượng cần nhận dạng có thể được kiểm soát trong bất kỳ một điều kiện và không gian giới hạn nào

• Lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn trên thẻ Phụ thuộc vào nhà sản xuất, nó có thể chứa từ 64 cho tới 512bit thông tin

• Tuổi thọ cũng như độ bền lâu hơn trong trường hợp thẻ thụ động không cần pin

• Khả năng cập nhật, thay đổi dữ liệu trực tiếp: Hệ thống RFID có khả năng đọc/ghi thông tin trên thẻ một cách dễ dàng

• Trong khi các hệ thống khác đòi hỏi phải có nhân công trực tiếp thao tác để

có thể nhận dạng thì hệ thống RFID có thể nhận dạng mà không cần đến sự

hỗ trợ của con người Giảm chi phí nhân công và lỗi nhân công

a) xử lý đơn b) xử lý nối tiếp c) xử lý đồng thời

Hình 1-8: Các phương pháp xử lý dữ liệu

b) Nhược điểm:

• Chịu ảnh hưởng của các chất liệu cần nhận dạng như là kim loại và chất lỏng đối với thẻ thụ động

• Các chuẩn của công nghệ RFID hiện nay vẫn chưa được thống nhất

• Giá thành của hệ thống RFID hiện nay vẫn còn cao, chưa thể áp dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực cần nhận dạng

1.5 Ứng dụng:

● Ứng dụng trong quản lý và theo dõi nhân sự, hàng hóa:

- Quản lý nhân sự (công nhân, nhân viên, sinh viên,…)

- Kiểm kê hàng hóa xuất nhập qua cửa khẩu hoặc kho hàng

- Quản lý thư viện, bảo tàng

● Ứng dụng trong hệ thống mua sắm và thanh toán

- Mua hàng hoá trong siêu thị

● Ứng dụng trong giao thông

- Xác định vị trí của tàu thuyền…

CH¦¥NG 2 THIÕT KÕ ANTEN CHO THÎ RFID Vấn đề quan trọng nhất khi xem xét hiệu suất của một hệ thống RFID đó là khoảng đọc - khoảng cách lớn nhất mà tại đó một đầu đọc RFID có thể giao tiếp được với tải đã được điều chế hoặc tín hiệu tán xạ lùi từ thẻ Đối với từng ứng dụng

cụ thể với một đầu đọc cho trước (bao gồm cả anten của đầu đọc), thì khoảng đọc phụ thuộc vào hiệu suất của thẻ Như đã đề cập trên đây, một thẻ RFID tiêu biểu sẽ bao gồm một anten và một chip vi xử lý Đặc tính của chip thì đã được quyết định bởi nhà sản xuất chip và người dùng không thể thay đổi được Nên mấu chốt của vấn đề thiết kế anten cho thẻ đó là tối đa khoảng đọc với một chip vi xử lý cho trước dưới các ràng buộc khác nhau (như là giới hạn về kích thước của anten, cho trước trở kháng của anten, biểu đồ bức xạ, và chi phí…) Thông thường, các yêu cầu đối với anten của hệ RFID với các chip vi xử lý cho trước có thể được tổng hợp lại như sau:

• Phối hợp trở kháng tối ưu khi nhận các tín hiệu lớn nhất từ reader để cấp nguồn cho chip vi xử lý

• Đủ nhỏ để có thể gắn vào bất kỳ đối tượng cần nhận dạng nào

• Không bị ảnh hưởng bởi chất liệu của đối tượng cần nhận dạng nhằm bảo toàn hiệu suất

• Có biểu đồ bức xạ theo yêu cầu (đẳng hướng, định hướng hay hình bán cầu)

• Có cấu trúc cơ học chắc chắn; và bền

• Chi phí về chất liệu cũng như sản xuất thấp

Dưới các điều kiện khác nhau cho các ứng dụng RFID khác nhau, một số các khía cạnh sau đây cần phải xem xét khi thiết kế anten tag cho RFID:

- Băng tần: Loại anten sử dụng thì phụ thuộc hoàn toàn vào tần số hoạt động Trong các ứng dụng RFID LF và HF, các anten cuộn xoắn được sử dụng phổ biến nhất để thu nhận tín hiệu từ reader bằng cách ghép cảm ứng Ở các tần

số UHF và MWF, các anten dipole, anten khe và các anten mạch dải được sử dụng rộng rãi

- Kích thước: Yêu cầu về kích thước của thẻ phải nhỏ sao cho chúng có thể gắn được vào bất kỳ một đối tượng cần nhận dạng nào (hộp các-tông, thẻ hành lý hàng không, thẻ ID hay nhãn in…) Yêu cầu về kích thước là một trong những thách thức khi thiết kế anten thẻ cho RFID Kích thước nhỏ thì

sẽ giới hạn khả năng ghép cảm ứng của anten vòng đặc biệt tại các tần số LF

và HF, và kế cả hiệu suất của anten tại các tần số UHF và MWF cũng thấp

Và như vậy thì đương nhiên khoảng đọc của RFID cũng sẽ giảm đi đáng kể

- Biểu đồ bức xạ: Một số ứng dụng yêu cầu anten thẻ có những biểu đồ bức xạ xác định như là đẳng hướng, định hướng hay hình bán cầu

- Độ nhạy với đối tượng: Hoạt động của thẻ sẽ bị thay đổi khi nó được gắn trên một đối tượng cần nhận dạng (hộp các-tông) mà trong đó lại chứa các chất liệu gây tổn hao lớn như là chai nhựa chứa nước hoặc dầu hay các thùng kim loại Do đó anten sẽ phải được điều chỉnh tới hoạt động tối ưu trên từng đối tượng cụ thể hoặc sẽ phải được thiết kế sao cho nó ít bị ảnh hưởng đối với các loại đối tượng kể trên nhất khi nó được đính kèm vào

- Chi phí: Thẻ RFID cần phải có chi phí càng thấp càng tốt đối với các ứng dụng cần nhiều thẻ Điều này cũng có nghĩa là cấu trúc cũng như chất liệu lựa chọn làm anten sẽ bị hạn chế, kể cả chip vi xử lý Các chất liệu được sử dụng làm anten là dải dẫn điện và chất điện môi Chất điện môi có thể là polyester dẻo, đối với LF và HF và các đế mạch in cứng như là FR4 cho các ứng dụng ở UHF và MWF

- Độ tin cậy: Thẻ RFID phải là một thiết bị tin cậy, có khả năng thích nghi với các điều kiện của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, và các tác động khác nhau khi gán nhãn, in

2.1 Anten thẻ RFID trường-gần

2.1.1 Mạch tương đương của một thẻ ghép cảm ứng

Hầu hết các hệ thống RFID trường gần đều sử dụng ghép cảm ứng để truyền năng lượng cũng như trao đổi thông tin giữa reader và thẻ

Hình 2.1.1 Trao đổi năng lượng và thông tin giữa reader và thẻ trong một hệ thống

ưu hoá thiết kế của anten cuộn, sẽ có thể đạt được điện áp lớn nhất để cấp nguồn cho chip vi xử lý, và do đó sẽ đạt được khoảng đọc lớn nhất đối với hệ thống RFID

Hình 2.1.2 (a) Thẻ ghép cảm ứng tiêu biểu, (b) Mạch tương đương

Mạch tương đương của anten cuộn chứa một điện áp nguồn Ui (điện áp cảm ứng) Độ tự cảm L của anten cuộn được xác định bằng kích thước hình dáng vật lý của nó, cùng với chất liệu và số vòng dây Điện trở RA biểu diễn tổn hao Ôm làm giảm độ lớn của điện áp cảm ứng Điện dung C biểu diễn điện dung ký sinh của anten cuộn và điện dung bổ sung được sử dụng để hình thành nên một mạch cộng hưởng Chíp vi xử lý được biểu diễn bởi điện dung nội C của nó và tải RL, quyết định công suất tiêu thụ của mạch Điện áp U0 đặt trên điện trở tải RL trong mạch tương đương trên Hình 2.1.2 có thể được mô tả bằng công thức sau:

) / 1

( ) /

L L

i

R R LC RC

R L j

U U

+

− + +

=

ω

ω (2.1) Trong đó, các điện dung Cp và Cr được gộp lại thành điện dung tổng Cg, và

ω = 2πf, f là tần số hoạt động

2.1.2 Cộng hưởng

Để điện áp trên mạch thẻ đạt giá trị lớn nhất, điện dung song song và anten cuộn phải tạo thành một mạch cộng hưởng với tần số cộng hưởng giống hoặc gần với tần số hoạt động của reader Trong hệ 13.56MHz với các kỹ thuật chống xung đột, tần số cộng hưởng được chọn cho thẻ thường cao hơn khoảng từ 1 đến 5MHz

để giảm thiểu hiệu ứng tác động lẫn nhau giữa các thẻ lên toàn bộ hệ thống bởi vì tần số cộng thưởng chung của hai thẻ liền kề nhau sẽ luôn thấp hơn tần số cộng hưởng của một thẻ đơn lẻ Tần số cộng hưởng tính được bằng công thức Thomson:

2

0 ) 2 (

1

f L

C

π

= (2.2.1) Trong các ứng dụng thực tế, giữa các vòng dây thường xuất hiện thêm các tụ điện kí sinh (phân tán) Tụ kí sinh trong cuộn dây anten thẻ thường chỉ khoảng vài

pF Điện dung kí sinh tăng khi tần số tăng Có hai loại mạch cộng hưởng khác nhau: song song và nối tiếp Mạch cộng hưởng song song có trở kháng lớn nhất tại tần số cộng hưởng Khi đó dòng sẽ nhỏ nhất và áp sẽ lớn nhất Tuy nhiên, mặc dù tại tần

số cộng hưởng dòng nhỏ nhất nhưng vẫn tồn tại một dòng điện tỷ lệ thuận với hệ số phẩm chất Q của mạch Mạch cộng hưởng song song được sử dụng trong cả mạch anten reader công suất lớn lẫn thẻ Mạch cộng hưởng nối tiếp có trở kháng nhỏ nhất tại tần số cộng hưởng Và do đó dòng sẽ là lớn nhất Do tính đơn giản và dòng cao đối với phần tử anten, cho nên mạch cộng hưởng nối tiếp thường được sử dụng cho các reader gần và đơn giản

2.1.2.1 Mạch cộng hưởng song song [20] [21]

Trở kháng tổng của mạch được tính như sau:

( ) ( )

) 1

Ω +

−

=

R

L j LC

jwL jw

Z

ωω

L

C R

Q= (2.2.8)

Q trong mạch cộng hưởng song song tỷ lệ thuận với trở kháng tải R và dung

kháng C, tỷ lệ nghịch với cảm kháng L của mạch

Khi mạch cộng hưởng song song được sử dụng làm mạch anten của thẻ, điện

áp rơi trên mạch có thể tính được bằng cách kết hợp (2.2.8) và (2.2.9):

V0= 2πfNSQB0cosα (2.2.9)

Suy ra 0 2π 0 0cosα 2π 0 ( )SB0cosα

L

C R N f NQSB

f

Công thức trên chỉ ra rằng điện áp cảm ứng trong cuộn dây trên thẻ tỷ lệ

nghịch với căn bậc hai của cảm kháng cuộn dây, nhưng tỷ lệ thuận với số vòng dây

và diện tích bề mặt của cuộn dây

2.1.2.2 Mạch cộng hưởng nối tiếp

Trở kháng của mạch là :

Z(jω) =r+ j(X L−X C)( Ω ) (2.2.11)

với : X L = 2πf0L( Ω ) (2.2.12) ( )

X C

π (2.2.13) Trở kháng trong (2.2.11) sẽ nhỏ nhất khi thành phần điện kháng tự triệt tiêu

lẫn nhau (X L = X C) Đây cũng chính là điều kiện cộng hưởng Tần số cộng hưởng

thì giống như trường hợp mạch khuếch đại song song

Băng tần nửa công suất được xác định bởi r và L:

B= r (Hz) (2.2.14)

Hệ số phẩm chất Q trong mạch cộng hưởng nối tiếp được xác định như sau :

C r r

L B

f Q

ω

=Mạch nối tiếp sẽ hình thành nên một mạch phân áp, điện áp rơi trên cuộn dây được

tính như sau :

in

C L

jX jX r

jX V

− +

=

0 (2.2.15) Khi mạch được điều chỉnh tới tần số cộng hưởng (X L = X C), điện áp chạy qua

hệ số phẩm chất Q của mạch Ví dụ, một mạch có Q = 40 có thể có điện áp trên

cuộn dây tăng gấp 40 lần điện áp đầu vào Vì tất cả năng lượng trong phổ tín hiệu

đầu vào đều được nén trong một dải tần đơn nhất

2.1.3 Độ tự cảm

Khi thiết kế anten với một vi xử lý và một điện dung nội Cr cho trước, nhiệm

vụ còn lại là phải tìm ra được một anten cộng hưởng tại tần số hoạt động nào đó

Nếu đã biết Cp (Cp thường rất nhỏ so với Cr trong băng HF, do đó C ~ Cr), thì độ tự

cảm của anten cuộn sẽ bằng:

2

) 2 (

1

f C

L

π

= (2.3) Anten cuộn thường được xây dựng trên một đế làm bằng PET (polyethylene

terephthalate), PVC (Polyvinyl chloride), hay polyamide và gồm các dải alumi/đồng

khắc axit Có rất nhiều loại cuộn cảm khác nhau được sử dụng để đạt được độ tự

cảm theo yêu cầu, và cuộn cảm xoắn được sử dụng rất phổ biến hơn cả trong các hệ

thống RFID

Hình 2.1.3 dưới đây, dải dẫn điện có thể được bố trí theo chiều kim đồng hồ

hoặc ngược chiều kim đồng hồ Cấu hình này đảm bảo dòng giữa các đường là đồng

pha với nhau Kết quả là hỗ cảm giữa các dải sẽ làm tăng đáng kể độ tự cảm đối với

cuộn cảm xoắn Hàn các tiếp điểm của chip vi xử lý với tiếp điểm của anten sẽ hình thành nên một thẻ Chip vi xử lý có thể kết nối trực tiếp với tiếp điểm bên trong hoặc bên ngoài của cuộn cảm xoắn Để thuận tiện hơn có thể sử dụng một đường dẫn ngầm để kết nối tiếp điểm ngoài của cuộn dây tới tâm của cấu trúc chip vi xử lý nếu cần nhiều vòng dây hơn để tăng độ tự cảm Độ tự cảm của cuộn cảm xoắn được xác định bởi diện tích của nó (L x D) và số vòng dây Độ rộng của rãnh dải anten và khoảng cách giữa chúng thường đều nhau, song cũng có những trường hợp không đều Cuộn cảm xoắn có thể là một vòng kín bất kỳ như là hình vuông, hình chữ nhật, tam giác, vòng tròn, bán nguyệt hoặc elip Cuộn cảm xoắn hình vuông được

sử dụng khá rộng rãi trong các ứng dụng thực tế vì có hình dáng đơn giản

Khá nhiều các công cụ phần mềm thương mại đã được sử dụng để tính độ tự cảm như là ADS, IE3D và Microwave Studio…

Hình 2.1.3 (a) kết nối cùng lớp (b) Sử dụng hai lớp kim loại với một khe hở giữa

hai lớp

Độ tự cảm của cuộn dây có thể được tính toán bằng nhiều cách khác nhau Nhưng đối với các cuộn dây RF thì độ tự cảm thực sự có thể khác so với các kết quả tính toán thực tế vì điện dung phân bố Vì lí do đó, độ tự cảm thường chỉ được tính tại điểm khởi đầu trong thiết kế cuối cùng

2.1.4 Điện dung

Nếu đã biết trước độ tự cảm, thì điện dung C với tần số hoạt động xác định sẽ là: 2

) 2 (

1

f L

C

π

= (2.4) Đối với thẻ hoạt động ở dải tần dưới 135kHz, thường cần một điện dung của chip vi

xử lý (Cp ~ 20 – 220 pF) để có thể cộng hưởng được ở tần số mong muốn Tại các tần số cao (13.56MHz, 27.125MHz), thường yêu cầu điện dung rất thấp đến nỗi có thể lấy luôn điện dung nội của chip vi xử lý và điện dung ký sinh của chính bản thân cuộn dây Thông thường điện dung nội của chip vi xử lý là cố định, do đó chỉ có thể thay đổi độ tự cảm anten cuộn bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý của nó mà thôi

2.1.5 Hệ số Q

Để xác định đặc tính của anten cuộn, thường sử dụng hệ số phẩm chất Q Hệ

số Q cao tức là mạch mất mát ít năng lượng, và ngược lại Điện áp cảm ứng của anten tỷ lệ thuận với hệ số Q Thông thường, hệ số Q thường đạt max đối với một khoảng đọc dài, nhưng phải lưu ý rằng hệ số Q cao thì cũng đồng nghĩa với việc giới hạn băng thông của dữ liệu phát đi theo quan hệ sau đây:

B

f

Q= 0 (2.5.1) Xét băng thông và giới hạn của hệ số Q đối với chíp MCRF355

Do MCRF355 hoạt động ở tốc độ dữ liệu 70 kHz, nên mạch anten đầu đọc sẽ cần một băng thông có độ rộng tối thiểu bằng hai lần tốc độ đó:

B toithieu = 140kHz (2.5.2) Giả thiết mạch được điều chỉnh ở tần số 13.56 MHz, hệ số Q tối đa là:

0 96 8

B f Q

Trong các mạch cộng hưởng LC thực tế, hệ số Q đối với băng 13.56 MHz là khoảng 40 Tuy nhiên, hệ số Q có thể tăng lên đáng kể nếu dùng cuộn cảm có lõi ferrite Giá trị Q tiêu biểu đối với hầu hết các anten cuộn là khoảng từ 30 đến 80 Điện áp rơi trên cuộn dây là tích của hệ số phẩm chất Q của mạch và điện áp đầu vào Do đó, với một điện áp đầu vào cho trước, điện áp cuộn dây sẽ tỷ lệ thuận

trực tiếp đối với hệ số Q của mạch

2.2 Anten thẻ RFID trường-xa

Hình 2.2.1 Nguyên lý truyền năng lượng và thông tin giữa reader và thẻ trong một

hệ thống RFID thụ động ghép cảm ứng

Đối với các hệ thống RFID trường-xa, thiết kế anten thẻ đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong toàn bộ hệ thống về cả hiệu suất và độ tin cậy do thẻ RFID thụ động hoạt động dựa vào trường điện từ mà chúng thu nhận được từ các reader Hình 2.2.2 dưới đây mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID thụ động Reader sẽ phát đi một tín hiệu RF liên tục chứa nguồn dòng xoay chiều và tín hiệu đồng hồ tới thẻ ở tần số sóng mang mà reader đang sử dụng Điện áp RF cảm ứng trên anten thẻ được biến đổi thành dòng trực tiếp và cấp nguồn cho vi xử lý Vi xử

lý thường cần khoảng 1.2V từ tín hiệu của reader Sau đó vi xử lý sẽ gửi lại thông tin cho reader bằng cách biến đổi trở kháng đầu vào RF phức Trở kháng thường được thay đổi giữa hai trạng thái khác nhau (phối hợp và không phối hợp) để điều chế tín hiệu tán xạ trở lại Khi nhận được tín hiệu điều chế này, reader sẽ giải mã và nhận thông tin của thẻ

2.2.1 Đường Radio

Trong hệ thống RFID, khoảng đọc bị giới hạn bởi khoảng cách lớn nhất mà tại đó thẻ vẫn có thể nhận được đủ năng lượng để hoạt động và phản hồi trở lại cho reader, và khoảng cách lớn nhất mà tại đó reader vẫn có thể thu được tín hiệu này của thẻ Khoảng đọc của một hệ thống RFID thì nhỏ hơn so với cả hai khoảng cách này Về cơ bản, độ nhạy của reader là đủ cao, do đó khoảng đọc được xác định bằng khoảng cách từ thẻ tới reader

Hướng cấp nguồn (từ reader tới thẻ)

Hình 2.2.2 Cơ chế hoạt động truyền năng lượng và thông tin cho các hệ thống

RFID trường xa

Trong đó công suất đầu ra của reader là Preader-tx, độ tăng ích của anten reader

là Greader-ant, khoảng cách giữa anten reader và anten thẻ là R, độ tăng ích của anten thẻ là Gtag-ant Theo công thức truyền sóng trong không gian tự do của Friis, công suất nhận được tại anten thẻ sẽ là:

π

λ

ant tag ant reader ant reader ant

R

4 ( (2.9) Trong đó λ là bước sóng trong không gian tự do tại tần số hoạt động và χ là

hệ số phân cực giữa anten reader và anten thẻ Nếu hai anten phân cực hoàn toàn giống nhau, thì χ sẽ bằng 1 (0dB) Đối với hầu hết các hệ thống RFID trường-xa, anten reader thường phân cực tròn trong khi anten thẻ lại phân cực tuyến tính, do đó

χ sẽ rơi vào khoảng 0.5 (-3dB)

Phần công suất thu được bởi anten thẻ sẽ được đưa tới cấp nguồn cho chip vi

xử lý, nó sẽ bằng:

P tag−chip =τP tag−ant (2.10) Trong đó τ là hệ số truyền công suất được quyết định bởi sự phối hợp trở kháng giữa anten thẻ và chip vi xử lý Khoảng đọc sẽ lớn nhất đối với đường cấp nguồn radio là khi Ptag-chip bằng với công suất ngưỡng của chip vi xử lý, Ptag-ngưỡng, là công suất ngưỡng tối thiểu đủ để cấp nguồn cho vi xử lý hoạt động

nguong tag

ant tag ant reader ant reader nguon

cap

P

G G

P R

20

) ( )

( ) ( ) (

20

) ( )

( )]

( log[

20 6 27

dBm P

dB dB

dBi G

dBic G

dBm P

MHz f

nguong tag ant

tag

ant reader ant

+ +

+ +

+

−

=

τχ

α

(2.13)

Hướng tán xạ trở lại (từ thẻ tới reader)

Hướng phản hồi thông tin từ thẻ trở lại reader này chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn trường tán xạ trở lại của thẻ Dựa trên một công thức monostatic radar (ra-đa sử dụng chung một anten cho cả thu lẫn phát), lượng công suất điều chế thu được tại reader sẽ là:

π

λ

ant reader tx reader xatrolai P G

R

2 tan

) 4 ( (2.14) Trong đó σ là mặt cắt radar (RCS) của thẻ RFID

Khi công suất thu được bằng với độ nhạy của reader, Preader-ngưỡng, thì khoảng cách lớn nhất của hướng phản hồi sẽ là:

nguong reader

ant reader ant reader ant reader xatrolai

P

G G

P R

2 tan

) 4

Hay Rtanxatrolai = 10β(m) (2.16)

40

) ( )

( ) (

40

) ( 2

) ( )]

( log[

20 6 16

dBm P

dBsm dB

dBic G

dBm P

MHz f

nguong reader

ant reader tx

+

+ +

+

−

=

σχ

xử lý Các thông số còn lại có thể được tối ưu hoá để đạt được khoảng đọc xa hơn

2.2.2 EIRP và ERP

Như đã đề cập ở mục trên, khoảng đọc lớn nhất tỷ lệ thuận với công suất đầu

ra của reader và độ tăng ích của anten reader Công suất đầu ra và độ tăng ích của anten reader càng cao thì khoảng đọc càng xa Tuy nhiên, công suất đầu ra luôn bị giới hạn bởi các quy định riêng của từng quốc gia

EIRP là một đại lượng đo công suất bức xạ mà một bộ phát đẳng hướng (G = 1 (0dB)) cần phải phát để tạo ra một công suất bức xạ quy ước tại một điểm thu: PEIRP = Preader-tx Greader-ant (2.18)

Ngoài EIRP ra, đại lượng ERP cũng được sử dụng khá phổ biến ERP liên quan đến anten dipole hơn là anten phát đẳng hướng Nó biểu thị công suất bức xạ

mà một anten dipole (G = 1.64 (2.15dB)) sẽ cần để tạo ra một công suất bức xạ yêu

cầu tại vị trí của máy thu Có thể dễ dàng chuyển đổi giữa hai đại lượng này

PEIRP = 1.64PERP (2.19)

2.2.3 Độ tăng ích của anten thẻ

Độ tăng ích của anten thẻ, Gtag-ant, cũng là một thông số quan trọng khác liên quan tới khoảng đọc Khoảng đọc sẽ lớn nhất theo hướng bức xạ cực đại, hướng bức xạ này bị giới hạn chủ yếu bởi kích thước, biểu đồ bức xạ của anten, và tần số hoạt động Đối với một anten đẳng hướng kiểu dipole nhỏ, độ tăng ích vào khoảng

0 – 2dBi Đối với một số anten phát định hướng như là anten dải, độ tăng ích có thể lên tới 6dBi hoặc hơn thế